Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Проводники в электрическом поле. Опыт 3.1 Проводники в электрическом поле.



Все вещества по своим электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. К проводникам относятся, например, металлы. Они состоят из кристаллической решетки и свободных электронов. Свободные электроны могут свободно перемещаться по всему объему проводника

Опыт 3.1 Проводники в электрическом поле.

Цель: убедиться, что в проводниках, помещенных в электрическое поле, происходит разделение зарядов.

Оборудование:

1. Два электрометра

2. Проводник

3. Изолирующая ручка

4. Эбонитовая палочка

Ход работы:

Возьмем два электрометра, соединенные проводником на изолирующей ручке. При приближении эбонитовой палочки, заряженной отрицательно, стрелки обоих электрометров отклоняются. Можно предположить, что на ближайшем электрометре и палочке находится положительный заряд, так как электроны под действием поля отрицательной палочки уходят.

При разъединении этих электрометров заряды не могут вернуться (электроны с правого на левый электрометр) и электрометры остались заряженными. По нашей гипотезе левый заряжен положительно, а правый – отрицательно. Проверка знака заряда подтверждает это: при приближении отрицательно заряженной палочки угол отклонения электрометра уменьшается; если подносить отрицательно заряженную палочку ко второму электрометру, то угол отклонения увеличивается, то есть второй электрометр заряжен отрицательно.

Вывод: знаки зарядов противоположны, но модули равны. Если соединить проводником электрометры, происходит их полная нейтрализация, что возможно только при зарядах, равных по модулю, но противоположных по знаку.

Электроны находятся в беспорядочном хаотичном движении. Чем выше температура проводника, тем интенсивнее движение электронов.

Кристаллическая решетка состоит из атомов или ионов, жестко закрепленных по всему объему проводника.

Опыт 3.2. Распределение зарядов на поверхности проводника.
Электрический ветер

Оборудование:

1. Сетка Кольби

2. Штатив изолирующий

3. Острие

4. Колесо Франклина

5. Свеча на подставке

6. Лапка с муфтой

7. Палочка эбонитовая или из органического стекла с куском меха

8. Электрофорная машина

Рис. 25.

Рис. 26.

Рис. 27.

Ход работы:

1. Соберем установку (Рис.25 – 27).

2. Прикоснемся наэлектризованной палочкой к гибкой металлической сетке с бумажными лепестками (сетке Кольби) Если сетка образует плоскую поверхность, то заряд распределится по ее поверхности равномерно, и мы увидим, что все лепестки отклонятся на одинаковый угол. Иначе распределится заряд, если сетку изогнуть. Мы увидим, что на вогнутых участках сетки лепестки опадут, а на выпуклых, наоборот, отклонятся сильнее.

3. Колесо Франклина соединяется проводом с одним из кондукторов электрофорной машины, после чего машина приводится в действие.

4. При подаче на колесо заряда оно начинает вращаться, постепенно увеличивая скорость вращения.

5. «Электрический ветер» представляет собой движение ионов воздуха от заряженного острия. В соответствии с 3-м законом Ньютона остриё начинает двигаться в противоположную сторону. «Реактивная сила», действующая на остриё, обусловлена отталкиванием его от одноимённо заряженных ионов.

Выводы: на вогнутых поверхностях сетки лепестки опадают, а на выпуклых поверхностях – отклоняются сильнее. Это объясняется тем, что электрическое поле вблизи внутренней вогнутой поверхности сетки слабее (либо вообще отсутствует), чем вблизи ее внешней выпуклой поверхности. “Электрический ветер” отклоняет пламя свечи. Колесо Франклина при работе электрофорной машины начинает быстро вращаться. Это явление происходит вследствие стекания электрических зарядов с острия колеса Франклина, поскольку напряженность электрического вблизи поверхности острия максимальна. В результате создается реактивная сила, вращающая колесо.

На электрон будет действовать сила , т.к. , то электроны будут двигаться в сторону, противоположную вектору . Внутри проводника возникает электрическое поле . Электроны будут перемещаться до тех пор, пока внешнее поле не уравновесится постоянно растущим внутренним:

(19)

Рис. 28.

Силовые линии прерываются на поверхности проводника и перпендикулярны ей.

Рис. 29.

Докажем это. Рассмотрим статический случай, когда заряды уже перераспределились в объеме проводника, и тока в проводнике нет.

Если силовые линии не перпендикулярны поверхности проводника, то существует тангенциальная составляющая , и под ее действием заряды начнут двигаться по проводнику, т.е. возникает ток, но мы рассматриваем статический случай, когда тока в проводнике нет, т.к. внутреннее и внешнее поля уравновешены. Возникает противоречие, значит, наше предположение о существовании тангенциальной составляющей неверно, т.е. силовые линии перпендикулярны поверхности проводника.

Поверхность проводника представляет собой эквипотенциальную поверхность:

Работа по перемещению зарядов по поверхности проводника равна нулю, т.к.

Диэлектрики

Диэлектрики вещества, в которых отсутствуют свободные носители заряда. В диэлектриках существуют полярные и неполярные молекулы.

Опыт 3.3. Прямой пьезоэффект

Цель: исследовать явление прямого пьезоэффекта.

Оборудование:

1. Шайбы

2. Люминесцентная лампа

3. Стальная колотушка

Ход работы:

В нашей установке имеется шайба из титаната бария. На торцы этой шайбы медным сжиганием нанесены серебряные электроды. К электродам подключена люминесцентная лампа.

Если ударить стальной колотушкой по шайбе с титанатом бария, то возникает высокое напряжение, порядка нескольких сотен вольт, и пробой люминесцентной лампы, который хорошо виден в затемненном помещении.

Вывод: при механических деформациях кристаллов некоторых диэлектриков на гранях кристаллов возникают электрические заряды, а внутри кристаллов создается электрическое поле. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом, а возникающая между противоположными гранями кристалла разность потенциалов - пьезоЭДС. Вещества, в которых возникает пьезоэффект, называются пьезоэлектриками.

Опыт 3.4. Обратный пьезоэффект

Цель: исследовать явление обратного пьезоэффекта.

Оборудование:

1. Шайба из пьезоэлектрика
2. Две пластины
3. Звуковой генератор

Ход работы:

Шайбу из пьезоэлектрика, снабженную контактами, зажимают между двумя пластинами, к которым подведено напряжение звукового генератора. Шайба начинает излучать звук на частоте, которая задается генератором. Если шайбу извлечь, то звук прекратится.

Вывод: обратный пьезоэффект заключается в изменении линейных размеров образца, сделанного из пьезоэлектрика, при подаче на него напряжения.

Опыт 3.5. Движениев неоднородном поле.

Цель работы: изучить зависимость направления силы от относительной диэлектрической проницаемости.

Оборудование:

1. Диэлектрический шарик

2. Металлический шарик

Ход работы.

1. В неоднородном электростатическом поле на диэлектрический шарик, так же, как и на металлический, будет действовать сила. Если диэлектрическая проницаемость шарика выше, чем диэлектрическая проницаемость окружающей среды, то шарик будет втягиваться в область более сильного поля.

2. Если же его поместить в другой диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость выше, чем у шарика, то шарик будет выталкиваться из области более сильного поля. Направление отклонения шарика будет противоположно первому случаю.

К полярным относятся молекулы, в которых имеются части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом.

К неполярным относятся молекулы, в которых части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом отсутствуют.

Воздействуя внешним электрическим полем, можно получить из неполярной молекулы полярную. Поляризуемость – свойство вещества, характеризующее способность превращения молекул из неполярных в полярные.

Два равных по модулю и разнесенных друг от друга разноименных заряда называют диполем. Расстояние между зарядами называется плечом диполя:

. (20)

Рис. 30.

На положительный заряд действует электрическая сила, направленная в сторону электрического поля.

На отрицательный заряд действует сила, направленная в противоположную от электрического поля сторону.

Длины векторов сил равны. Момент сил, действующий на полярную молекулу (электрический диполь), может быть вычислен по формуле:

(21)

Опыт 3.6. Момент сил в однородном поле

Цель: исследовать поляризуемость диэлектрического тела вытянутой формы

Оборудование:

1. Диэлектрик вытянутой формы

2. Штатив

3. Источник тока

Ход работы:

На диэлектрическое тело, имеющую вытянутую форму, действует в однородном электростатическом поле момент сил точно так же, как и на металлическое тело, поскольку диэлектрик поляризуется и на нем появляются поляризационные заряды. При этом электрическая палочка ориентируется вдоль силовых линий поля.

Рассчитаем работу, совершенную при повороте полярной молекулы (электрического диполя) на угол α:

(21)

По закону сохранения и превращения энергии, совершенная работа идет на сообщение потенциальной энергии. Потенциальная энергия определяется формулой:

.

Процесс поворота, ориентации вдоль силового поля молекул во внешнем электростатическом поле, называется ориентационной поляризацией.

Опыт 3.7. Диэлектрики в электрическом поле (Рис. 31; Рис. 32; Рис. 33)

Оборудование:

1. Демонстрационный плоский конденсатор

2. Подвешенные на изолирующих нитях стеклянные палочки диаметром 5 мм и длиной 5-7 см

3. Электрофорная машина

4. Соединительные провода

5. Штативы

6. Электрометр с большим шаровым кондуктором

7. Металлическая трубка прямоугольного сечения с подвешенным на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки, размеры трубки 12х12х25 см

8. Большой химический стакан с прикрепленным к его дну на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки

9. Изолирующая подставка

Рис. 31.

Рис. 32.

Рис. 33.

Выводы: диэлектрик в электрическом поле не остается электрически нейтральным – он поляризуется – палочки ведут себя как электрические диполи. Металл экранирует пространство от электростатического поля, диэлектрик – нет.


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 526; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.036 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь